基于海藻糖代谢的牛心朴子抗旱机制研究

Cynanchum komarovii is a typical desert plant with strong drought resistance. However, the molecular mechanism of its drought resistance is still unknown. Our previous results showed that trehalose is the main osmotic adjustment substance in Cynanchum komarovii under drought stress. To further explore the role of trehalose in Cynanchum komarovii response to extreme drought stress, trehalose contents and the drought indicators are measured treated with or without trehalose inhibitors. The expression of trehalose-6-phosphate synthase (TPS1), trehalose-6-phosphate phosphatase (TPPA and TPPB) and trehalase (TRH) genes in transcript and translation level will be detected to explore the molecular mechanism of drought-induced trehalose increase. The quercetin contents will be measured through HPLC after drought stress, the trehalose contents and the expression of TPS1, TPPA, TPPB and TRH genes will be investigated in Cynanchum komarovii with or without quercetin inhibitors to study the role of quercetin in drought resistance. The results of this project will provide a scientific basis for further studies on the mechanism of arid plants response to drought stress.

荒漠植物牛心朴子具有极强的抗旱能力，但目前对其抗旱机制的研究很少，且集中在生理水平，在基因水平上的研究尚未见报道。本项目依据我们前期的实验结果--海藻糖是牛心朴子抗旱的主要渗透调节物质，拟通过添加海藻糖抑制剂，测定干旱胁迫下海藻糖含量和干旱抗性指标，验证海藻糖对牛心朴子抗旱的调节作用；通过检测干旱胁迫下牛心朴子海藻糖-6-磷酸合成酶（TPS1）、海藻糖-6-磷酸磷酸酶（TPPA、TPPB）和海藻糖酶（TRH）基因的表达变化，确定海藻糖含量升高的基因调控机制；通过测定干旱胁迫后牛心朴子内槲皮素的含量，以及外源槲皮素抑制剂对干旱胁迫下海藻糖含量及代谢关键基因表达的影响，探讨干旱胁迫下海藻糖含量升高的机制。本项目的研究结果为旱区植物抗旱作用机理的研究提供科学依据。

牛心朴子是一种抗旱的荒漠植物，在中度（5天和10天）和重度（15天和20天）干旱胁迫处理后，该植物体内的可溶性糖（果糖、蔗糖、海藻糖和葡萄糖）以及糖类的储存物质淀粉含量都有不同程度的增加，暗示这些可溶性糖在抗干旱胁迫中发挥重要作用。干旱胁迫后再外源加入海藻糖酶（分解海藻糖），海藻糖被完全降解，其含量检测不到，而蔗糖的含量与未加海藻糖酶的相比，明显升高，弥补了海藻糖缺失的部分作用。斛皮素的加入导致海藻糖和蔗糖含量明显升高，而葡萄糖含量降低，说明斛皮素能够诱导海藻糖的表达。同时，依据转录组数据分析，我们发现干旱胁迫后果糖激酶、蔗糖合酶、海藻糖合成酶、海藻糖磷酸酶以及己糖激酶等51个相关基因的转录水平表达都有不同程度的变化，其中8个相关基因都明显表达上调，甚至是上千倍的上调，说明在干旱胁迫后果糖、蔗糖和海藻糖都在不同程度起作用，它们协同完成调节作用。综上所述，牛心朴子在干旱胁迫后海藻糖和果糖、蔗糖协同起作用，只不过海藻糖与胁迫时间的相关性更强；而海藻糖缺失时蔗糖含量的升高说明蔗糖可能弥补海藻糖作用的缺失。同时，斛皮素能够诱导海藻糖的表达，其作用过程可能是通过海藻糖合成酶以及磷酸酶的诱导表达而实现。